Thử nghiệm cao cáp cho cáp lực (Phần 1)

Các loại cáp, thiết kế và các loại sự cố cách điện cáp

Các nhiệm vụ liên quan tới xác định sự cố và chuẩn đoán cho cáp lực đối với ngành năng lượng hiện này có nhiều dạng công cụ khác nhau được sử dụng với nhiều phương áp thử nghiệm cáp. Và việc chọn lựa đúng phương pháp cũng như các thiết bị phù hợp phụ thuộc vào một số các yếu tố, bao gồm mục đích thử nghiệm, kiểu cáp và tuổi thọ cáp, các yếu tố về môi trường, và loại sự cố cáp có thể dự đoán trước.

Trước khi chuyển sang phần các công nghệ thử nghiệm cao áp (hipot-high potential) chính, vấn đề quan trọng trước tiên là giới thiệu và nắm bắt các thông tin cơ bản về các loại cáp lực, thường là kiểu cáp và cấu trúc điển hình, và giải thích về các kiểu cáp với các loại lỗi của cáp.

Cáp điện: Các lưu ý chung về kiểu cáp, thiết kế và ứng dụng của cáp

Thị trường cáp điện có thể được chia làm 3 loại khác nhau dựa vào cấp điện áp của cáp: Cáp trung áp với điện áp từ 6kV đến 69kV, cáp cao áp từ 69kV đến 150kV, và cáp siêu cao áp với điện áp lớn hơn 150kV. Trong đó, cáp trung thế chiếm ưu thế trong phân khúc thị trường cáp ngầm.

Các cáp lực có cách điện được sử dụng cho truyền và phân phối cả điện kinh doanh và công nghiệp với nhiều kiểu ứng dụng khác nhau trong thi công lắp ngầm (dưới lòng đất).

Với cáp trung thế điển hình, có các loại dây dẫn đồng và/hoặc nhôm, nhiều lõi và/hoặc đơn lõi (đặc), được sử dụng như các dây dẫn. Các dây dẫn này được bao bọc bởi một lớp bao bọc bên ngoài cáp nhằm điều phối sức căng của cáp, thường được hiểu như lớp màng chắn bảo vệ dây dẫn, và được làm bởi hợp chất bán dẫn. Lớp cách điện bao xung quanh trực tiếp và toàn bộ lớp dây dẫn. Lớp cách điện bọc xung quanh để cách điện và trong một vài trường hợp có thể có thêm lớp vật liệu bán dẫn có tính chất dẫn điện.

Các dây trung tính bằng đồng quấn quanh lớp vỏ cách điện, và sử dụng để bọc lớp vỏ nhựa polythylen, giúp bảo vệ cơ học cho cáp khỏi các tác động môi trường bên ngoài, và giảm sự xâm nhập ẩm vào trong cáp, vì thế sẽ chống lại sự hư hỏng cáp sớm.

Có hai loại cáp phổ biến, loại chất điện môi dọc cáp và loại cán mỏng. Ví dụ về loại dọc: sẽ gồm các loại cáp kiểu PE, XLPE polyethylene hoặc cáp có polyethylene liên kết ngang và loại cáp cao su ethylene proylen EPR. Và một loại, bên trong loại là giấy cách điện bảo phủ (PILC- Paper insulated lead covered type), là đặc trưng của các cáp có kiểu cách điện cán mỏng điển hình.

Các đặc tính lão hóa: Kiểu hình cây

Sự suy thoái bới các cây nước trong cáp là vấn đề chính đối với các loại cáp trung thê có chất điện môi dọc, nhất là các kiểu cáp XLPE và PE sẽ ảnh hưởng tới tuổi thọ làm việc. Nó có thể gây ra sự suy giảm tồi tệ đối với các điện của cáp điện và đóng vai trò lớn trong các hư hại cáp. Các cây nước được hình thành và phát triển do sự xuất hiện của hơi ẩm, tạp chất hay ô nhiễm, và các trường điện từ xuất hiện theo thời gian.

Các kiểu cây nước

Thông thường có hai kiểu cây nước, với cách gọi là cây kiểu bow-tie (từ một lỗ rỗng trong cáp) và cây kiểu phun trào (xuất phát từ bề mặt của vật liệu.)

Các cây kiểu bow-tie là các dạng cây nước phát triển từ bên trong chất cách điện và có hướng phát triển vào trong hoặc ra ngoài bề mặt của cách điện. Các loại cây này phát triển theo hướng của trường điện từ theo cả hai hướng của hai điện cực, đó là (tạo bởi) thanh dẫn trung tâm của cáp và các bề mặt trung tính đồng tâm bao quanh cáp.

Trong khi tốc độ phát triển của loại bow-tie nhanh hơn loại vented tree, loại bow-tie không thể phát triển theo diện rộng và thường không lớn thành một diện tích lớn đủ để gây ra hư hỏng trong hệ thống cách điện.

Kiểu vented tree là các cây có kiểu phát triển theo hướng của trường điện từ, từ bề mặt của polymer hướng vào trong hệ thống thống cách điện. Vented tree có tốc độ phát triển ban đầu thấp hơn so với bow-tie. Tuy nhiên, chúng lại có thể phát triển trên toàn bộ bề dầy của lớp cách điện.

Vì vậy, các kiểu vented tree được xác định là không rõ ràng theo các kiểu cây nhất định, và làm cho tuổi thọ làm việc của cáp bị suy giảm và gây ra các hư hỏng điện hoặc sự cố.

Trong trường hợp điện môi kiểu dây thì kiểu cây là nguyên nhận nhiễm bẩn do cỏ và nước, và đây gọi là kiểu cây nước.

Trong các loại cáp có cách điện dẹt, nguyên nhân phổ biến nhất mà các kiểu cây ảnh hưởng tới cáp là độ khô của dầu và sự đốt cháy các lớp cách điện giấy. Khi các lớp giấy cách điện cháy, chúng sẽ để lại các chất carbon, đây là loại dẫn điện. Vì thế, theo thời gian, khi các giấy cách điện cháy, sẽ để lại từng chút carbon, khi đủ lớn để đẫn điện qua lớp cách điện sẽ gây ra sự cố cho cáp. Kiểu cây này được gọi là cây carbon.

Các thủ tục thử nghiệm được thực hiện đúng lúc có thể giúp thông báo về sự tổn thất về tính toàn vẹn cách điện của cáp, các đốm dấu hiệu sẽ trở nên xấu hơn do sự lão hóa, và sẽ giúp có phương án chống hư hỏng cho cáp.

Thử nghiệm cao áp hoặc chịu đựng

Thử nghiệm chịu đựng và điện áp cao được sử dụng để đánh giá các điều kiện cách điện của cáp trong quá trình lắp đặt, nghiệm thu hay thử nghiệm bảo trì. Với kết quả thử nghiệm phá hủy, với một điểm hư hỏng của cách điện, cây điện sẽ bắt đầu quá trình xuất hiện, tạo ra điểm đánh thủng cách điện và giúp cho kỹ thuật viên có thể xác định khu vực của sự cố.

Có một số phương pháp thử nghiệm hiện trường cho các loại cáp điện ngầm, được nằm trong nhóm thử nghiệm loại 1. Các loại thử nghiệm này dùng để thăm dò và tìm kiếm các sai hỏng đối với cách điện của cáp, giúp cải thiện sự tin cậy trong hoạt động truyền tải điện năng sau khi loại bỏ các phần hư hỏng và được sửa chữa. Các thử nghiệm này thường được thực hiện với các ứng dụng điện áp tăng cao đối với cách điện cáp trong một khoảng thời gian nhất định. Vì vậy, các thử nghiệm được sử dụng sẽ cho kết quả pass hoặc fail (đạt/không đạt), hay là kiểu go hoặc no go.

Các thí nghiệm điển hình loại 1 gồm một trong các thử nghiệm sau:

• Thử nghiệm điện trở cách điện được thực hiện với đồng hồ đo megohm tiêu chuẩn, hay còn được gọi là thử nghiệm thấp áp (undervoltage)
• Thử nghiệm điện áp cao DC hoặc DC hipot;
• Thử nghiệm cao áp tần số rất thấp (VLF Hipot test);
• Thử nghiệm điện áp cao AC được thực hiện với tần số công nghiệp (50Hz hoặc 60Hz).

Các thử nghiệm điện áp thấp sử dụng điện áp DC

Các thử nghiệm điện áp thấp được thực hiện phổ biến với một đồng hồ đo Megaohm. Với cách thử này, sử dụng các điện áp nhỏ hơn cấp điện áp cách điện, và các thử nghiệm sẽ không phá hủy cấu trúc và không tạo ra bất kỳ nguy hại gì ảnh hưởng tới cáp, và được kết hợp với thử nghiệm điện áp cao DC. Các thử nghiệm cách điện kích thích điện tích cách điện và đo lường các thông số phản hồi. Tùy thuộc vào kết quả phản hồi sẽ vẽ ra được các điều kiện của cách điện cáp.

Điều quan trong nhất cần hiểu khi cách điện hoàn hảo không còn, (trường hợp hoàn hảo sẽ không có dòng điện từ vỏ đi xuống đất) và  khi cách điện có một giá trị điện trở nào đó, sẽ luôn có dòng điện rò đi qua cách điện. Và khi một dòng điện rò nhỏ đi qua cách điện thì vẫn chưa gây sự cố gì, nhưng khi giá trị dòng rò tăng lên thì cách điện bắt đầu bị hư hỏng.

Thử nghiệm điện trở cách điện là việc đo điện trở của vật liệu cách điện đối với dòng rò, giúp đánh giá các điều kiện của cách điện. Kiểu thử nghiệm này cho phép đo lường cả giá trị điện trở và dòng điện rò.

Thử nghiệm điện áp cao sử dụng điện áp DC

Trong vài năm, việc sử dụng thử nghiệm điện áp cao DC là phương pháp truyền thống được chấp nhận để đánh giá khả năng làm việc của các cáp trung thế. Các thử nghiệm điện áp tăng cao DC đã được sử dụng với vai trò thử nghiệm đánh giá các điều kiện và sự chịu đựng đối với các cáp PILC (cáp có bọc lớp giấy cách điện). Khi các cáp cách điện nhựa xuất hiện, thì thử nghiệm bằng điện áp DC vẫn là phương pháp đo được ưa dùng.

Theo thời gian, các cáp điện cách điện nhựa được sử dụng nhiều hơn và cũng bắt đầu chỉ ra các ảnh hưởng lão hóa cũng như tuổi thọ làm việc của cáp. Thử nghiệm bằng điện áp DC tiếp tục là phương pháp thử có ưu thế hơn cả, nhưng các vấn đề liên quan bắt đầu chỉ ra các ảnh hưởng về hiệu quả của phương pháp thử nghiệm này. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, trong khi không gây ra bất kỳ sự phá hủy nào đối với cáp mới, phương pháp thử điện áp cao DC ảnh hưởng tới khả năng làm việc và tuổi thọ của cáp do có sự ảnh hưởng tới tốc độ hình thành các cây.

Hiện nay, hầu hết các tiêu chuẩn vẫn bao gồm việc thử nghiệm DC như một phép thử tin cậy đối với các chất điện môi dọc được lắp mới, và tất cả trong thực tế khuyến cáo đã bị bỏ qua, việc sử dụng thử nghiệm DC được dùng cho mục đích bảo tri, hoặc đặc biệt được sử dụng khi cáp đã tiến tới kết thúc tuổi thọ vận hành (thường là quá 5 năm).

Để xác định điểm sự cố của cáp bằng thử nghiệm điện áp cao DC, kỹ thuật viên cần tìm ra điểm xuất hiện các dòng rò đi qua chỗ cách điện bị hư hại, và đối với chỗ điện bị rò sẽ có đường dẫn. Nói cách khác, hai dây sẽ lộ ra, hoặc có thể là một dây và các phần kim loại như vỏ bọc cáp. Vì thê, với việc thử nghiệm điện áp cao, điện áp sẽ tăng lên và gây ra rò và hồ quang giữa các dây dẫn hoặc cáp, khi đó sẽ giúp tìm ra các sự cố có thể bị bỏ quên.

Các vấn đề lưu tâm khi thử nghiệm cao áp DC

Thử nghiệm cao áp DC chắc chắn gây hại đối với các cáp có chất điện môi rắn (cách điện đồng nhất) và cho phép phân phối ứng suất điện. Và điện áp DC là an toàn để áp dụng cho việc thử nghiệm cáp khi lắp đặt, kiểm tra và bảo trì đối với cách điện cán dẹt.

Hầu hết các vấn đề liên quan tới thử nghiệm điện áp cao DC đều liên quan tới cáp lão hóa. Phương pháp này sử dụng cho các cách điện không đồng nhất của cáp, điện áp DC tạo ra việc nạp đối với các điểm yếu của cách điện, đây là vấn đề điển hình phổ biến đối với các cáp dọc. Trong các vòng xoắn của cáp, các khu vực tích lũy có thể tạo ra kết quả là các cây điện và đánh thủ cách điện.

Một hạn chế khác của thử nghiệm chịu đựng DC đó là với một thực tế phân cực khi thử nghiệm không thể thay đổi trong quá trình thử nghiệm, và không tạo ra  phóng điện cụ bộ. Khi không có phân tích phóng điện cục bộ thì các hư hỏng cách điện của cáp có thể không được phát hiện ra.

Tuy nhiên, việc thử nghiệm chịu điện áp DC được áp dụng hiệu quả để tìm kiếm các hư hỏng cách điện và được áp dụng cho các phụ kiện cáp hoặc các sự cố rò trên bề mặt hoặc giữa hai lớp bị môi trường ảnh hưởng tới.

Nhiệt độ, điện áp và khoảng thời gian thực hiện thử nghiệm

Đối với thử nghiệm điện áp cao DC để cung cấp các kết quả chính xác, cáp và thống cáp được thử nghiệm với nhiệt độ môi trường. Có nghĩa, nếu nhiệt độ cáp tăng lên do quá tải thực tế, thỉnh thoảng nên cho phép nhiệt độ cáp mát trở lại.

Thử nghiệm điện áp cao DC nên được bắt đầu với điện áp thử nghiệm có thể lên tới 80% điện áp dây AC rms. Sau đó nên tăng lên theo kiểu liên tục hoặc theo các bước, và đưa điện áp tới điện áp thử lớn nhất trong khoảng thời gian 10-60 giây (đây là khoảng thời gian có thể phải tăng lên đối với các hệ thống cáp dài hơn), và điện áp thử nghiệm lớn nhất có thể được sử dụng lên tới 15 phút.

Các điện áp thử nghiệm cho cáp trung thế có bọc cách điện

Thử nghiệm chịu điện áp DC thường được thử nghiệm offline, tách các cáp hoặc hệ thống cáp ra khỏi hệ thống điện khi thử nghiệm. Trong trường hợp cáp có nhiều dây dẫn, mỗi dây dẫn sẽ được thử nghiệm riêng rẽ. Và khi đó, các thanh dẫn còn lại và lớp vỏ bao quanh sẽ được nối đất. Đầu thử nghiệm của bộ thử cao áp được kết nối với dây dẫn được thí nghiệm, điện áp thử nghiệm sẽ bắt đầu cấp vào cáp và tăng dần lên tới mức cao nhất.

Phương pháp thử nghiệm

Khi điện áp thử nghiệm liên tục tăng lên, thì nên thực hiện với cùng tốc độ tăng điện áp. Nếu điện áp được tăng theo các bước, nên sử dụng ít nhất 5 bước tăng điện áp, với mỗi cấp độ thì kỹ thuật viên nên chờ cho dòng điện đạt độ ổn định, dòng điện nhìn thấy (đọc) tại mỗi mức tăng áp, và sau 2 phút khi đạt tới điện áp thử nghiệm cao nhất và khi kết thúc việc thử nghiệm.

Đấu nối cho thử nghiệm DC

Trong mọi trường hợp dòng điện giảm đều khi điện áp được cố định đặt lên cách điện của đối tượng thử nghiệm trong điều kiện nghiệm thu. Một thông số chỉ thị tin cậy về chất lượng cách điện là điện trở của một trong các dây dẫn điện được so sánh với điện trở của hai dây còn lại. Nếu tỷ số điện trở cách điện vượt quá 3 lần đối với cáp có độ dài trên 1000m, thì đây là dấu hiệu có sự suy giảm chất lượng lượng cách điện.

Ưu và nhược điểm của phương pháp thử nghiệm DC

Các lợi ích của việc thử nghiệm đánh thủng điện môi DC:

• Công suất đầu ra khi thử nghiệm bằng DC thấp hơn so với thiết bị thử nghiệm AC, giúp tạo cho việc thử nghiệm DC an toàn hơn đối với các kỹ thuật viên;
• Thử nghiệm chịu DC an toàn hơn nhiều so với thử nghiệm AC cho các kỹ thuật viên trong trường hợp các đối tượng thử có tính điện dung (tụ) cao;
• Thử nghiệm chịu điện áp DC được sử dụng để tìm các hư hỏng cách điện đối với các phụ kiện cáp hoặc các vấn đề rò rỉ giữa bề mặt và các lớp tiếp giáp do ảnh hưởng của môi trường;
• Các thiết bị thử nghiệm điện áp cao DC hiển thị chính xác giá trị dòng điện rò của cáp hay các hệ thống cáp khi thực hiện thử nghiệm.

Thử nghiệm mức chịu đựng DC có một số điểm:

• Cáp hoặc hệ thống cáp khi thử nghiệm phải được xả (phóng) sau khi thử nghiệm;
• Thử nghiệm chịu điện áp cao DC là thử nghiệm phá hủy cấu trúc và làm giảm tuổi thọ của cách điện của cáp;
• Một số hư hỏng cách điện nghiêm trọng không thể phát hiện bằng phương pháp thử nghiệm phá hủy điện môi DC.

Tóm lại, phương pháp thử nghiệm điện áp cao DC vẫn được sử dụng rộng rãi cho việc thử nghiệm nghiệm thu đối với các cáp được lắp đặt mới. Và khi thực hiện thử nghiệm bảo dưỡng tại hiện trường, thì thử nghiệm VLF cao áp lại được sử dụng phổ biến hơn.

So sánh thử nghiệm AC và DC

                             AC hipot test set HVAC-50/60R

Thử nghiệm chịu áp AC được các nhà sản xuất cáp sử dụng phổ biến khi thực hiện các thử nghiệm lắp đặt cáp mới. Thử nghiệm cao áp DC là cách thử Pass/Fail hay Go/No-Go (hiểu theo cách đạt hay bỏ), trong khi các kỹ thuật viên nâng điện áp thử nghiệm tới giá trị lớn nhất xác định để kiểm tra các đối tượng được thử chịu điện áp cáo, và do đó đối tượng sẽ đạt hoặc không đạt. Thử nghiệm cao áp AC được sử dụng rộng rãi để đánh giá xem thiết bị có phù hợp với tiêu chuẩn nghiệm thu.

Ngược lại, thử nghiệm cao áp DC sẽ cung cấp nhiều thông tin về cáp hoặc hệ thống cáp khi thực hiện thử nghiệm, cho biết về dòng điện rò đo được và tính toán được điện trở cách điện.

Do có sự khác nhau về kích thước, và chi phí của các thiết bị thử nghiệm AC và DC, do thiết bị AC có chi phí đắt hơn và khác về bản chất cấu tạo về các đại lượng analogue DC. Điều này giải thích thực tế rằng các bộ thử nghiệm AC tạo ra các dòng nạp lớn hơn so với các bộ thử nghiệm DC.

Các ưu thế vượt trội của thử nghiệm DC hơn thử nghiệm AC, các thiết bị thử nghiệm DC nhỏ hơn, khả năng vận hành tốt hơn, an toàn hơn, do đó tạo ra dòng nhỏ hơn và cho biết nhiều thông tin về dòng rò thực tế.

Các lợi ích của thử nghiệm AC so với DC đó là, thử nghiệm AC không yêu cầu điện áp dốc và các đối tượng thử ghiệm không cần phải xả. Tuy nhiên, do các bộ thử nghiệm AC có kích thước không phù hợp cho các hoạt động thử nghiệm hiện trường, bên cạnh đó chúng lại tạo ra dòng điện lớn có thể gây nguy hại mất an toàn cho người vận hành.

Bài tiếp theo chúng tôi sẽ giới thiệu phương pháp thử nghiệm cao áp sử dụng tần số rất thấp VLF.